電動(dòng)客車(chē)高壓安全監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

徐 彪, 劉 濤, 魏 琳, 魏洋洋

(中通客車(chē)控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

電動(dòng)客車(chē)的高壓安全是整車(chē)安全內(nèi)容的重點(diǎn)之一，隨著電動(dòng)車(chē)輛的大量普及，高壓安全問(wèn)題導(dǎo)致的事故也隨之增多[1-2]。因此，隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電安全的研究刻不容緩[3]。為了減少電動(dòng)客車(chē)安全事故的發(fā)生，需要針對(duì)高壓電安全問(wèn)題建立一套完善的管理策略，對(duì)絕緣故障、短路故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，以便在高壓電系統(tǒng)故障發(fā)生前或發(fā)生時(shí)能自動(dòng)采取有效的保護(hù)措施[4]。本文基于高壓集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種高壓安全監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)對(duì)高壓部件及節(jié)點(diǎn)全生命周期內(nèi)的全范圍安全監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓器件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而保障整車(chē)高壓用電的安全性。

1 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊整體設(shè)計(jì)

高壓安全監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)置于高壓集成控制系統(tǒng)內(nèi)，如圖1所示。虛線框內(nèi)的模塊及節(jié)點(diǎn)的組合構(gòu)成電動(dòng)客車(chē)用高壓集成控制系統(tǒng)。其中高壓安全監(jiān)測(cè)模塊采集系統(tǒng)內(nèi)各支路、部件和連接節(jié)點(diǎn)相關(guān)性能參數(shù)，通過(guò)內(nèi)部控制器對(duì)參數(shù)計(jì)算分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓系統(tǒng)全方面、全生命周期的安全監(jiān)控[5-10]。

圖1 電動(dòng)客車(chē)高壓架構(gòu)圖

1.1 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的功能

高壓安全監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)置于電動(dòng)客車(chē)用高壓集成控制系統(tǒng)內(nèi)，主要用于高壓零部件的狀態(tài)監(jiān)控和整車(chē)絕緣檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控高壓零部件的工作異常，適時(shí)預(yù)警，該模塊應(yīng)具備如下主要功能：絕緣電阻檢測(cè)及預(yù)警；接觸器、熔斷器工作(故障)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警；高壓支路負(fù)載功率實(shí)時(shí)檢測(cè)及高壓端子溫度檢測(cè)與預(yù)警；環(huán)境溫度檢測(cè)與充電冗余監(jiān)測(cè)保護(hù)。

1.2 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的檢測(cè)原理

為實(shí)現(xiàn)高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的上述功能，在高壓集成控制系統(tǒng)回路中設(shè)置電壓、電流、溫度信號(hào)采樣點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)置算法和控制邏輯將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為回路中對(duì)應(yīng)高壓零部件、負(fù)載功率、絕緣阻值和環(huán)境溫度的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓集成控制系統(tǒng)的安全監(jiān)控及預(yù)警，同時(shí)可將設(shè)定的故障信號(hào)通過(guò)CAN總線播報(bào)傳遞給整車(chē)控制器。圖2為高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的檢測(cè)原理示意圖，其中各支路電壓采集點(diǎn)傳感器連接高壓安全監(jiān)測(cè)模塊對(duì)應(yīng)腳位，F(xiàn)U1～FUn為被監(jiān)測(cè)支路高壓熔斷器，K1～K4為被監(jiān)測(cè)支路高壓接觸器。

圖2 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的檢測(cè)原理示意圖

1.3 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)組成

電動(dòng)客車(chē)用高壓安全監(jiān)測(cè)模塊如圖3所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括微控制器、信號(hào)采集單元、AD轉(zhuǎn)換單元、電源單元、通訊單元、絕緣檢測(cè)單元。

圖3 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部單元示意圖

1) 微控制器用于電信號(hào)的計(jì)算、控制及故障診斷，微控制器與AD轉(zhuǎn)換單元、電源單元、通訊單元、絕緣檢測(cè)單元連接。

2) 信號(hào)采集單元包括多路電壓、多路端子溫度、多路電流采集和1路環(huán)境溫度采集，同時(shí)各信號(hào)采集均可擴(kuò)展接口。

3) AD轉(zhuǎn)換單元與信號(hào)采集單元和微控制器連接，用于將信號(hào)采集單元的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給微控制器。

4) 電源單元與微控制器和外部24 V電源連接，用于供給模塊工作壓電。

5) 通訊單元與微控制器和整車(chē)控制器連接，用于信號(hào)的共享與控制，通過(guò)CAN總線與整車(chē)控制器(VCU)、電池系管理統(tǒng)(BMS)進(jìn)行信息交互，并將故障信息實(shí)時(shí)上報(bào)VCU。

6) 絕緣檢測(cè)單元與微控制器連接，用于執(zhí)行絕緣監(jiān)控功能，檢測(cè)并測(cè)量高壓系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻值。

2 高壓安全監(jiān)測(cè)模塊關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 絕緣檢測(cè)設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)作為高壓安全監(jiān)測(cè)模塊的內(nèi)置單元之一，其采用低頻信號(hào)交流電流注入法，產(chǎn)品內(nèi)部生成激勵(lì)脈沖，在高壓系統(tǒng)和車(chē)身之間正負(fù)脈動(dòng)，從而形成正負(fù)脈動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)被測(cè)對(duì)象Rd不同時(shí)，響應(yīng)信號(hào)與被測(cè)對(duì)象Rd之間呈現(xiàn)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而可以計(jì)算得出被測(cè)對(duì)象Rd。

圖4 絕緣檢測(cè)原理圖

其原理圖如圖4所示，絕緣檢測(cè)儀等效內(nèi)阻很高，測(cè)量回路與主電路之間的等效內(nèi)阻≥2.3 MΩ，測(cè)量回路與主電路單端等效內(nèi)阻≥4.7 MΩ，故檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)對(duì)主電路的擾動(dòng)小，避免因?yàn)闇y(cè)量電路的接入而導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣電阻下降，產(chǎn)生安全隱患；可檢測(cè)并測(cè)量出正端接地、負(fù)端接地、電池組內(nèi)部接地和多重接地時(shí)的對(duì)地絕緣電阻，當(dāng)發(fā)生多重接地時(shí)，檢測(cè)的電阻值為等效并聯(lián)電阻值；絕緣檢測(cè)模塊具備濾波Y 電容自適應(yīng)功能；內(nèi)置直流高壓測(cè)量的電路，在進(jìn)行絕緣檢測(cè)時(shí)，同步測(cè)量直流高壓。

2.2 電壓信號(hào)采集設(shè)計(jì)

如圖5所示，圖中電壓檢測(cè)模塊集成電壓采集、AD轉(zhuǎn)換單元和微控制器。電壓檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集接觸器和熔斷器的前后端電壓，與高壓電源的正負(fù)極取樣電壓進(jìn)行對(duì)比，判斷接觸器和熔斷器的導(dǎo)通狀態(tài)；與VCU對(duì)接觸器的開(kāi)閉狀態(tài)控制指令進(jìn)行對(duì)比，從而判斷是否存在故障，如表1所示。高壓安全監(jiān)測(cè)模塊與BMS進(jìn)行CAN通訊，兩者可相互校驗(yàn)高壓電源正負(fù)極電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在接觸器粘連故障前，微控制器可通過(guò)記錄接觸器電壓變化次數(shù)統(tǒng)計(jì)接觸器機(jī)械壽命。

高壓電源電壓為：V1=VHV+1-VHV-；接觸器電壓為：V2=VHV+2-VHV-；熔斷器電壓為：V3=VHV+3-VHV-。其中，高壓電源的正極取樣電壓為VHV+1，接觸器的后端取樣電壓為VHV+2，熔斷器的取樣電壓為VHV+3，高壓電源的負(fù)極采樣電壓為VHV-。圖5和表1所述分別為單支路的電壓采樣原理和狀態(tài)診斷表，對(duì)于高壓集成控制系統(tǒng)內(nèi)的多支路與此方法雷同，本文不再贅述。

圖5 電壓采樣原理圖

采樣電壓接觸器熔斷器接觸器閉合指令故障接觸器斷開(kāi)指令故障V1=V2=V3導(dǎo)通導(dǎo)通無(wú)故障接觸器粘連V1=V2;V3=0導(dǎo)通斷路斷路器故障接觸器粘連;熔斷器故障V1;V2=V3=0斷路—接觸器故障無(wú)故障

2.3 電流信號(hào)采集設(shè)計(jì)

通過(guò)在高壓集成控制系統(tǒng)配電支路上設(shè)置的電流傳感器，用于同步測(cè)量如圖2所示的多路電流。適配 5 V 供電的電壓輸出型電流傳感器， 傳感器輸出信號(hào)范圍 0～5 V，如DHAB_S24，根據(jù)各支路負(fù)載功率需求選用不同的電流通道量程。通過(guò)記錄各支路瞬時(shí)電流，清楚地掌握各支路的能量流向，為統(tǒng)計(jì)各支路電耗提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 充電冗余監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程冗余監(jiān)測(cè)功能，利用高壓安全監(jiān)測(cè)模塊采集電流、電壓、溫度等參數(shù)，計(jì)算充電瞬時(shí)功率、總能量，同BMS播報(bào)出的CAN總線數(shù)據(jù)做冗余保護(hù)，進(jìn)一步避免動(dòng)力電池在充電過(guò)程中的過(guò)充、熱失控等異?；蛘呤鹿实陌l(fā)生。其中，溫度參數(shù)采集采用NTC熱敏電阻，實(shí)時(shí)檢測(cè)高壓集成控制系統(tǒng)回路中大電流端子的溫度，微控制器內(nèi)設(shè)定溫度閾值并預(yù)警。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)客車(chē)高壓安全監(jiān)測(cè)模塊能幫助車(chē)輛使用人員及時(shí)獲取車(chē)輛高壓狀態(tài)信息，可根據(jù)故障報(bào)警快速定位系統(tǒng)內(nèi)故障點(diǎn)。為整車(chē)全范圍高壓安全監(jiān)測(cè)提供保障。另外，還能幫助整車(chē)開(kāi)發(fā)者充分了解整車(chē)的能量流分配，對(duì)優(yōu)化整車(chē)能量分配策略和節(jié)能降耗有重要指導(dǎo)意義；能記錄接觸器真實(shí)工作壽命，為選擇接觸器產(chǎn)品和提升高壓集成控制系統(tǒng)可靠性提供數(shù)據(jù)支撐；能實(shí)現(xiàn)高壓集成控制系統(tǒng)的全范圍、全生命周期監(jiān)測(cè)，節(jié)省公用電路的成本。